Представим себе две катушки К1 и К2, расположенные близко друг от друга (рис. 3). Если в одну из этих катушек, например К1, мы пропустим переменный электрический ток, то вокруг этой катушки возникнет переменное магнитное поле. Поле это будет пересекать витки катушки К2, и, значит, катушка К2 окажется под действием переменного магнитного поля, а это, как мы уже знаем, вызовет, благодаря явлению индукции, появление в катушке К2 переменной электродвижущей силы. Очевидно, что частота изменений электродвижущей силы, возникающей в катушке К2, будет та же, что и частота изменений магнитного поля, а следовательно, что и частота переменного тока в катушке К1. Если мы замкнем катушку К2, на концах которой возникает переменная электродвижущая сила, на какое-либо сопротивление, например, лампочку, то в этой цепи потечет переменный электрический ток, при чем частота этого тока будет та же, что и частота переменного тока, пропускаемого через катушку К1. Таким образом, переменный ток, проходящий по катушке К1, вызывает появление такого же переменного тока в катушке К2, несмотря на то, что никакой непосредственной электрической связи между этими катушками нет (катушки не соединены между собой электрически).
Конечно, вообще связь между этими катушками существует и заключается она в том, что магнитное поле одной катушки (К1) действует на витки другой катушки (К2). Такая связь между цепями, которая осуществляется благодаря магнитному действию одной цепи на другую, называется индуктивной связью, а приборы, при помощи которых эта индуктивная связь осуществляется, называются трансформаторами. Катушки, из которых трансформатор состоит, называются его обмотками, при чем та катушка, через которую пропускают питающий переменный ток (в нашем примере К1), называется первичной обмоткой трансформатора, а та катушка, в которой получается индуктированный ток (в нашем примере К2), называется его вторичной обмоткой.
Для того, чтобы увеличить магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, а следовательно, и усилить воздействие первичной катушки на вторичную, обе катушки одевают на железный сердечник (рис. 4). Все трансформаторы, которые применяются для токов низкой частоты (то-есть таких, частота которых не выше 20.000 колебаний в секунду), делаются с такими железными сердечниками, и только для токов высокой частоты (частота которых больше 20.000 колебаний в секунду), по причинам, о которых мы будем говорить в одном из следующих занятий, применяются трансформаторы без железного сердечника.
Проследим теперь, как связаны между собой налряжения — первичное, подводимое к концам первичной обмотки трансформатора, и вторичное, получающееся на концах его вторичной обмотки. Напряжение на концах вторичной обмотки складывается из напряжений, даваемых каждым отдельным витком этой обмотки. Так как каждый виток дает такое же напряжение, как и всякий другой виток, то, значит, напряжение, даваемое отдельным витком, мы получим, если разделим все напряжение, даваемое вторичной обмоткой, на число витков в ней. То же самое мы можем сказать и о первичной обмотке — напряжение, проходящееся на каждый отдельный виток первичной обмотки, равно всему напряжению, подводимому к первичной обмотке, разделенному на число витков в этой обмотке. И вот оказывается, что напряжение, даваемое одним витком вторичной обмотки, как раз равно той части первичного напряжения, которое приходится на один виток первичной обмотки.
Из этого правила легко вывести соотношение между обоими напряжениями, подводимым к первичной обмотке и даваемым вторичной обмоткой. Если число витков в первичной и вторичной обмотках одно и то же, то напряжение, даваемое вторичной обмоткой, как раз равно напряжению, подводимому к первичной обмотке. Если число витков во вторичной обмотке больше, чем число витков в первичной, то и напряжение, даваемое вторичной обмоткой, будет больше подводимого к первичной, и больше во столько раз, во сколько число витков во вторичной обмотке больше числа витков в первичной (такой трансформатор называется повышающим).
Наоборот, если число витков во вторичной обмотке в несколько раз меньше числа витков в первичной, то во столько же раз напряжение, даваемое вторичной обмоткой, будет меньше напряжения, подводимого к первичной (такой трансформатор называется понижающим). Словом, отношение между первичным и вторичным напряжением равно отношению между числом витков в первичной и вторичной обмотках. Отношение это называется коэффициентом трансформации и показывает в одно и то же время, во сколько раз напряжение, даваемое трансфрматором, больше (или меньше) напряжения подводимого, и во сколько раз число витков во вторичной обмотке (больше) или меньше числа витков в первичной.
Например, в трансформаторе с коэффициентом трансформации 4 (или, как обозначают иначе, 1:4) число витков во вторичной обмотке в четыре раза больше числа витков в первичной. В трансформаторе же с коэффициентом трансформации 1/4 (или, как обозначают иначе, 4:1) число во вторичной обмотке в четыре раза меньше числа витков в первичной. Первый из этих трансформаторов повышает, а второй понижает напряжение в 4 раза.
Очевидно, что трансформатор может работать только в цепи переменного гока. В этом именно заключается преимущество переменного тока перед постоянным. При помощи трансформатора можно преобразовывать (трансформировать) напряжения переменного тока, повышая или понижая их путем соответствующего выбора коэффициента трансфотрмации. Если же мы включим трансформатор в цепь постоянного тока, то в первый момент, когда в первичной катушке появляется электрический ток и вокруг нее возникает магнитное поле, на концах вторичной обмотки появится электродвижущая сила. Но затем ток в катушке установится, магнитное поле также, и в дальнейшем и ток, и поле останутся постоянными. Но, как мы уже говорили, постоянное магнитное поле не может вызвать электродвижущей силы в проводнике (для этого необходимо изменяющееся магнитное поле). Значит, после того, как ток в первичной катушке установится, электродвижущая сила на концах вторичной обмотки исчезнет. Она вновь появится только тогда, когда мы выключим так (разорвем цепь) в первичной катушке. В этот момент исчезнет магнитное поле первичной катушки, а при исчезновении поля (так же как и при возникновении) в катушке, вблизи которой это поле исчезает (или появляется), всегда возникает электродвижущая сила.
При этом очень существенную роль играет следующее обстоятельство. Когда мы включаем источник постоянного тока в первичную обмотку трансформатора, то по некоторым причинам, о которых мы будем говорить в одном из следующих занятий, ток в первичной обмотке, а вместе с тем и магнитное поле, не устанавливается мгновенно, а нарастает постепенно. Между тем, когда мы разрываем цепь катушки, то исчезает в ней ток, а с ним и магнитное поле (сразу мгновенно). Но, как мы уже знаем, в явлении магнитной индукции существенное значение имеет скорость изменения магнитного потока. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше электродвижущая сила, появляющаяся благодаря индукции в соседних проводниках.
Значит, если мы будем пропускать через первичную обмотку трансформатора постоянный ток, то во вторичной его обмотке мы будем получать электродвижущую силу при замыкании и размыкании первичной обмотки, при чем при размыкании электродвижущая сила будет получаться гораздо больше, чем при замыкании. Этим обстоятельством можно воспользоваться, чтобы при помощи источника постоянного тока, дающего небольшие напряжения, получить напряжения, гораздо большие. Прибор, который служит для этой цели, называется катушкой Румкорфа. Устройство ее схематически изображено на рис. 5. На общий железный сердечник насажены две катушки — первичная К1 с малым числом витков и вторичная К2 с очень большим числом витков. Вместе эти катушки представляют собой повышающий трансформатор с большим коэффициентом трансформации. В цепь первичной катушки последовательно включены батарея Б, питающая катушку К1 постоянным током и быстродействующий прерыватель П, попеременно замыкающий и размыкающий цепь катушки К1. При замыкании и размыкании тока в катушке К1 на концах катушки К2 возникает электродвижущая сила, которая при размыкании бывает так велика, что пробивает искровой промежуток «И», включенный между концами вторичной обмотки. С помощью небольшой индукционной катушки можно на зажимах вторичной обмотки получить напряжения в несколько тысяч вольт. Между тем для питания первичной обмотки достаточно батареи в несколько вольт.
Таким образом, три помощи катушки Румкорфа можно повысить постоянное напряжение в несколько тысяч раз. Конечно, получающееся на концах вторичной обмотки высокое напряжение уже не будет постоянным. Строго говоря, это напряжение не будет постоянным ни по величине, ни по направлению, так как при замыкании и размыкании на концах вторичной обмотки получаются напряжения, направленные в обратные стороны. Но так как при размыкании получаются гораздо более высокие напряжения, чем при замыкании, то для практических целей можно принимать во внимание только напряжения, получающиеся при размыкании, и считать, что катушка Румкорфа дает не постоянное по величине, но всегда направленное в одну и ту же сторону (пульсирующее) высокое напряжение.
Графически это напряжение можно изобразить кривой, приведенной на рис. 6. Число отдельных «пиков» напряжения, повторяющихся в одну секунду, как раз равно числу разрывов, которое производит прерыватель. И чем быстрее работает прерыватель, тем чаще следуют «пики» напряжения друг за другом. Поэтому выгодно, чтобы прерыватель действовал возможно быстрее, тогда высокое напряжение, даваемое катушкой, будет по своим действиям все больше и больше подходить к постоянному высокому напряжению (рис. 7).
Катушка Румкорфа является очень полезным прибором в радиолюбительской лаборатории. Она понадобится нам не только для дальнейших занятий, но и для решения целого ряда побочных практических вопросов. Поэтому в качестве практической работы к этим занятиям мы намечаем постройку катушки Румкорфа по описанию, которое помещено ниже. О различных практических применениях катушки Румкорфа мы расскажем частью в следующих занятиях, а частью в отдельных статьях.